组合式密闭爆炸容器螺栓预应力范围的计算方法

　　1　引言

　　爆炸容器作为一种灵活方便的爆炸能量限域装置,广泛应用于爆炸力学诸方面研究领域。国外的爆炸容器大多数以整体球型为主[1],它的力学性能优良,但其较小的通道开口尺寸限制了其使用范围。椭球封头圆柱形组合式爆炸容器由于它具有最大的通道开口尺寸,极大的扩展了它的使用范围。但是,在法兰螺栓联接的组合式密闭爆炸容器中,受到内冲击载荷作用时法兰结合面的密封问题是一个急待解决的问题。解决密封问题有各种方法,但是通过合理选择螺栓预应力是提高密闭容器的承载能力和密封性能的重要途径。在经典的设计方法中,螺栓预应力通常取螺栓材料屈服应力的50%~75%[2],这一方法是基于防止螺栓松动条件下,并考虑了一定的疲劳因素确定的。这样的范围对于精确的设计来讲太过于粗糙。对此,国外的许多学者都曾做过研究,Bickford[3](1988)综合分析了过大和过小的螺栓预应力的种种不利因素。在大量的螺栓预应力分析的文献中也有部分文献的观点与经典方法存在着一定的差异。Motosh[4](1976)和Chapman[5](1986)等都先后从实践和理论分析中得出螺栓的初始预应力与螺栓材料的极限抗拉强度有关,并随着极限抗拉强度的增加而增加,以承受更大的载荷。Ei-Zahry[6](1986)提出了优化计算预应力的方法,认为对于一个简谐激励作用下可使用单自由度的弹簧—质量系统进行研究,并认为在一个具有长的疲劳寿命和低振幅的螺栓联接中仅有一个较小的螺栓拉伸量以及在被联接件间仅有一个低的力传递率。Osman[7](1976)等人提出了优化计算螺栓直径的方法,既考虑螺栓的疲劳载荷并基于预应力下限的方法。Fazekas[8](1976)的优化理论则是对考虑疲劳因素的有利面和不利面的折中。以上观点的不同之处仅在于考虑螺栓疲劳载荷的优化参数的差异。但是,对于脉冲载荷条件下的螺栓预应力问题,例如爆炸容器以及船舶箱体承受内冲击载荷时的螺栓预应力问题,疲劳强度问题已不再是主要因素。螺栓的残余变形能的吸收能力则需要考虑。T. A. Duffey[9](1993)对一端平封头的爆炸容器的螺栓预应力做了理论分析,给出了单自由度系统的螺栓预应力分析的优化结果。螺栓的伸长量是导致密封失效的直接原因,而容器壳体在爆炸载荷的作用下的轴向变形不直接影响密封,并且由于壳体的轴向变形受周向变形的约束也不会太大。

　　预紧力的确定原则是维持对密封件的压紧力。在动载密封条件下螺栓的预紧力一般可表达为

　　预紧力过小容易造成螺栓松动;过大则易造成螺栓的脆断。合理选择螺栓预应力的目的是充分发挥螺栓的强度能力。要求是,①在保持法兰面接触的条件下,维持对密封件的压紧力。②尽量使螺栓的预应力与屈服应力保持一合理的安全距离。